[무기화학개론]CNT(탄소나노튜브) 2부






탄소나노튜브 제조법 - 1


탄소나노튜브를 합성하는 방법은 크게 2세대로 구분된다. 1세대 방법으로는 전기방전법이 주류를 이루었으나, 이후 레이저증착법, 열분해법이 제시되었다. 이들 방법은 탄소나노튜브 이외에도 다중벽의 경우 풀러렌, 나노입자, 비정질탄소 등이 다량 포함되어 있고 단중벽의 경우에는 이외에도 합성 시 도입되었던 촉매 금속이 상당히 포함되어 있다. 

이런 불순물은 탄소나노튜브의 정확한 물성을 예측하는데 방해가 될 뿐만 아니라 탄소나노튜브를 이용한 소자의 성능을 저하시키기도 한다. 따라서 이런 불순물을 제거시키기 위한 복잡한 정제과정을 거쳐야 하며, 구조제어 및 수직배향 합성이 어려운 단점이 있다.



1. 전기방전법 (arc-discharge)

진공 챔버 안에 양극과 음극에 각각 직경이 다른 흑연봉을 일정한 거리를 띄워 배치시킨 후 전기방전을 유도하는 방법. 양극 쪽과 챔버 겉면에서 탄소나노튜브가 생성된다.이 방법은 제품의 품질은 우수한 반면 양산에는 다소 문제가 있는 것으로 평가된다.



전기방전법은 초기에 탄소나노튜브를 합성할 때 주로 사용한 방법입니다. 두 개의 탄소막대를 음극과 양극에 배치하고, 헬륨 분위기하에서 두 전극 사이에 직류전원을 인가하면 전극사이에서 방전이 일어나고 방전에 의해 발생된 다량의 전자는 양극으로 이동하여 양극의 탄소막대에 충돌하게 됩니다. 이때 전자의 충돌에 의해서 양극의 탄소막대에서 떨어져나온 탄소 크러스트들은 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극의 탄소막대 표면에 응축됩니다. 이렇게 음극에서 응축된 탄소덩어리에는 탄소나노튜브와 탄소 나노 파티클(particle) 그리고 비정질 탄소덩어리가 포함되어 집니다.


Fig. 1 Schematic diagram of arc-discharge apparatus.


양질의 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 음극을 냉각시키는 것이 필수적이며, 양극의 위치는 가변적이어서 전기방전이 일어나는 동안에 두 극 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있어야 합니다. 그림 1은 탄소나노튜브 합성에 사용되는 전기방전장치의 구조도를 나타내고 있습니다.

두 극 사이에는 일반적으로 직류 전원이 사용되는데, 20∼40 V의 전압 범위에서 전류는 50~100 A 정도일 때 전기방전이 잘 일어납니다. 안정적인 방전이 일어나는 두 탄소막대 사이의 거리는 1 mm 이하입니다. 이런 방법으로 합성된 탄소나노튜브는 일반적으로 다중벽 탄소나노튜브 구조를 가지게 되지만, 양극 탄소막대에 Co, Ni. Fe, Y 등의 금속파우더를 적절한 비율로 혼합하여 전기방전을 일으키면 단일벽 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있습니다.



Fig. 2 Deposit of carbon nanotubes and carbonaceous particles using arc-discharge.

Fig. 3 SEM images of multiwalled carbon nanotubes synthesized by arc-discharge method.
   

전기방전법에서 고품질의 탄소나노튜브를 얻기 위한 가장 중요한 요소는 챔버내의 기체압력과 인가전류인데, 챔버압력이 증가하면 탄소나노튜브의 수율이 증가하지만 압력이 너무 높을 경우에는 오히려 탄소나노튜브의 수율이 떨어집니다. 또한, 전류는 안정된 플라즈마를 유지할 수 있는 범위내에서 가능하면 낮은 전류 값을 갖는 것이 좋습니다. 

그림 2는 당사 나노기술연구소의 전기방전장치에서 합성된 탄소덩어리(deposit)를 보여주고 있는데 실제로 탄소나노튜브는 탄소덩어리의 가운데 부분(core)에서 주로 발견됩니다.

그림 3,4는 전기방전법으로 각각 합성한 것으로 탄소덩어리와 탄소덩어리에서 관찰한 다중벽 탄소나노튜브의 SEM 사진을 보여주고 있습니다. 사진에서 다중벽 탄소나노튜브는 다량의 탄소덩어리 또는 탄소파티클에 덮여 있고, 탄소나노튜브는 부분적으로 노출되어 있습니다. 탄소나노튜브의 기초물성 또는 구조를 연구하거나 응용연구를 하기위해서는 탄소나노튜브에 붙어 있는 탄소파티클을 반드시 정제해야 합니다.



Fig. 4 SEM images of multiwalled carbon nanotubes synthesized by arc-discharge method.
  
Fig. 5 SEM image of single walled carbon nanotubes synthesized by arc-discharge method.


그림 5는 CNT 단층벽 나노튜브의 SEM 사진입니다. SEM 사진에서 거미줄모양의 탄소나노튜브가 고밀도로 얽혀 있는데, 앞서 보여준 다중벽 탄소나노튜브는 직선성을 갖는데 비해서 단일벽 탄소나노튜브는 가는 곡선형태를 나타내고 있습니다. 실제로 직경이 수 nm 이하인 단일벽 탄소나노튜브들이 SEM에서 관찰되는 것은 단일벽 탄소나노튜브가 다발로 뭉쳐 'rope' 형태로 되어 있기 때문입니다.







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